薛　瑋，張力輝

（中航工業(yè)航空動力控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

艦用航改燃氣輪機通用控制系統(tǒng)研制及應用

薛瑋，張力輝

（中航工業(yè)航空動力控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

為了為國產(chǎn)燃氣輪機數(shù)控系統(tǒng)的選配提供1種低成本、可靠、易用的解決方案，開發(fā)了艦用航改燃氣輪機通用控制系統(tǒng)。介紹了該通用控制系統(tǒng)的研制方法、應用以及總體研制方案，列舉了各部件的設計原理和結構、設計特點以及技術性能指標。艦用航改燃氣輪機通用控制系統(tǒng)采用模塊化、通用化設計思想，EtherCA T實時以太網(wǎng)通訊技術，3余度的設計架構，提高了設計效率，縮短了設計周期，降低了設計成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，在燃氣輪機控制領域具有非常廣的應用前景。

控制系統(tǒng)；模塊化；通用化；EtherCA T；實時網(wǎng)絡；艦用航改燃氣輪機

0　引言

燃氣輪機已經(jīng)在軍民用領域得到了廣泛應用，其控制系統(tǒng)也從模擬式電子控制系統(tǒng)發(fā)展成數(shù)字電子控制系統(tǒng)［1］。早在20世紀70年代，GE公司的LM1500燃氣輪機就采用了由模擬式電子控制器實現(xiàn)邏輯時序控制、由液壓機械式控制器實現(xiàn)燃油控制的混合式控制系統(tǒng)。到90年代，燃氣輪機開始全面配置數(shù)字電子控制系統(tǒng)。又經(jīng)過十多年的發(fā)展，燃氣輪機控制領域已有多種數(shù)字控制系統(tǒng)。近年來，燃氣輪機的數(shù)字電子控制系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了標準化、系列化的發(fā)展，硬件實現(xiàn)了模塊化，并提供菜單式的控制軟件開發(fā)平臺。目前國內(nèi)工業(yè)燃氣輪機控制系統(tǒng)基本被國外公司壟斷，通常通過購買國外公司的模塊產(chǎn)品進行系統(tǒng)集成與二次開發(fā)，不具備自主知識產(chǎn)權，并且以這種方式開發(fā)的產(chǎn)品，無法滿足現(xiàn)行國產(chǎn)燃氣輪機對數(shù)控系統(tǒng)的電子控制柜在功能、性能以及環(huán)境等方面提出的苛刻要求［2-6］。

本文提出了1種艦用航改燃氣輪機通用控制系統(tǒng)的設計思想，并簡要闡述了實現(xiàn)方案。

1　艦用航改燃氣輪機通用控制系統(tǒng)的功能

根據(jù)控制對象的要求，艦用航改燃氣輪機控制系統(tǒng)有下列功能：燃氣輪機起動前檢查；燃氣輪機起動控制（假起動、冷吹、油封、啟封、正常起動）；慢車轉(zhuǎn)速控制；加減速控制；動力渦輪轉(zhuǎn)速控制；燃氣輪機輸出功率控制；停車控制；轉(zhuǎn)速限制和獨立保護；溫度限制（包括起動過程）；扭矩限制；對各輔助系統(tǒng)的控制；燃氣輪機的狀態(tài)保護（降工況保護、停車保護、預警保護）；與燃氣輪機相關設備連鎖與匹配；燃氣輪機狀態(tài)監(jiān)視、系統(tǒng)故障自檢與重構、信息存儲能；與上級控制系統(tǒng)、機旁操縱系統(tǒng)通訊。

2　艦用航改燃氣輪機通用控制系統(tǒng)的研制

航改燃氣輪機數(shù)控系統(tǒng)的電子控制器通過傳感器與艦船的通訊接口以及開關量接口，接收來自艦船和燃氣輪機的狀態(tài)信號、指令，由電子控制器按照對應燃氣輪機調(diào)節(jié)計劃和控制規(guī)律計算出不同狀態(tài)的燃油流量、可調(diào)葉片角度及相關的電磁閥等開關量信號。電子控制器將輸出的控制信號送到燃油、導葉供油裝置，經(jīng)相應裝置轉(zhuǎn)換和放大，給出相應燃氣輪機燃油流量、可調(diào)葉片角度。同時通過位移傳感器反饋信號到電子控制器，構成位置閉環(huán)控制。電子控制器開關量通過電子控制器內(nèi)部的處理電路和外部的電氣轉(zhuǎn)換裝置放大后輸出，驅(qū)動起動、點火、停車等操作。同時通過通訊接口將燃氣輪機的重要參數(shù)傳遞到監(jiān)控計算機。監(jiān)控計算機對燃氣輪機的性能、壽命、振動和滑油系統(tǒng)等進行監(jiān)控，給出報警信號，儲存數(shù)據(jù)，記錄燃氣輪機的工作狀態(tài)及工作時間。

艦用航改燃氣輪機通用系統(tǒng)在某型綜合電子控制柜研制的基礎上，緊隨國際技術發(fā)展趨勢，采用模塊化、通用化設計思想，采用Ethercat實時以太網(wǎng)通訊技術提高了設計效率，縮短了設計周期、降低了設計成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.1通用控制系統(tǒng)方案

通用控制系統(tǒng)采用開放性的模塊結構。硬件采用標準化、系列化的模塊，軟件設計成可選擇的標準控制模塊和接口，液壓機械裝置設計成通用的模塊化的部件和組件。這就使整個控制系統(tǒng)的設計變?yōu)楣δ苣K的選擇、匹配和調(diào)整。如硬件設計就是根據(jù)燃氣輪機信號通道數(shù)量和接口需求選擇合適的硬件模塊，按控制規(guī)律和要求選擇合適軟件模塊，根據(jù)燃油和導葉的控制要求選擇合適液壓機械裝置。采用成熟的模塊不僅使各系統(tǒng)的功能、性能都有保證，而且各部件僅需要進行部分調(diào)整就能滿足要求，從而縮短研發(fā)周期、節(jié)省研發(fā)費用、提高系統(tǒng)的可靠性，也便于實現(xiàn)性能改進和功能擴展［7-8］。

通用控制系統(tǒng)的原理如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)接收來自控制室或監(jiān)控臺的控制信號，對燃氣輪機的起動、加速、減速、穩(wěn)態(tài)工況運行以及停車和重要參數(shù)限制實施全面的自動控制和安全保護，從而實現(xiàn)對燃氣輪機輔助系統(tǒng)的監(jiān)測和控制和對燃氣輪機的故障診斷和重要參數(shù)的記錄、存貯和通訊［9-11］。

圖1　燃氣輪機控制系統(tǒng)原理

2.2通用控制系統(tǒng)部件的設計

通用控制系統(tǒng)由電子控制器、控制軟件、液壓機械裝置這3個主要部件組成。

2.2.1電子控制柜設計

控制柜主要由3余度控制器、控制軟件、獨立超轉(zhuǎn)保護器、機柜、繼電器箱、電源等部件組成?？刂乒竦撞亢捅巢吭O計有鋼絲繩減振器，采用前開門、頂部進出線方式［12］。

控制器由主CPU、AD、DA、FI、IO等模塊組成，各模塊自帶CPU處理器，模塊之間通過Ethercat工業(yè)實時以太網(wǎng)連接，電子控制器原理如圖2所示。

圖2　3余度電子控制器原理

控制器的各種功能模塊之間用Ethercat連接并完成數(shù)據(jù)交換。各模塊既可以集中到一起也可以分散到燃氣輪機的各部分，通過Ethercat實現(xiàn)實時信息交流和控制。通訊帶寬可達到100M。

EtherCAT采用主、從站的方式，每個CPU模塊作為主站與各從站（I/O模塊）形成1個EtherCAT網(wǎng)，實現(xiàn)實時控制。CPU模塊可多個選擇，并根據(jù)需要實現(xiàn)功能擴展。各主站（CPU模塊）間通過通訊模塊或普通以太網(wǎng)協(xié)議通訊軟件。

2.2.2控制軟件開發(fā)

以往的燃氣輪機數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)過程，一般針對實際控制器硬件平臺編制1套控制軟件，由于硬件相關軟件與頂層控制軟件界限不明，使得控制軟件移植到不同硬件平臺時工作量很大，且不利于維護。如果借鑒操作系統(tǒng)中對軟件層次的劃分原則，使得同一功能的外設均具有一致的驅(qū)動程序接口，同一類型的底層操作均具有一致的IO系統(tǒng)接口，可以極大提高控制軟件的可移植性和可維護性。

控制軟件由CPU模塊的控制應用軟件和其它通用模塊底層軟件組成。

底層軟件與模塊一一對應。模塊的底層軟件主要實現(xiàn)通用模塊采集、輸出或信息交互功能，并與其它模塊通訊、傳遞和接受信息，實現(xiàn)控制系統(tǒng)功能。CPU模塊的控制應用軟件通過與底層軟件，根據(jù)模塊的特點進行功能的初始選擇和配置，軟件架構如圖3所示。

圖3　軟件架構

控制軟件設計過程中1個十分重要的工作是Ethercat實時以太網(wǎng)通訊軟件包的開發(fā)。通訊軟件包需實現(xiàn)電子控制器各模塊的初始化、過程數(shù)據(jù)收發(fā)、通訊故障診斷等功能。

2.2.3液壓機械裝置設計

液壓機械裝置采用分體式和模塊化設計。根據(jù)具體燃氣輪機的需要，對高壓燃油泵、燃油計量裝置、導葉調(diào)節(jié)裝置及燃油分布器等部件，自由組合液壓機械裝置配合使用。

液壓機械裝置具有完成系統(tǒng)的燃油計量、可調(diào)葉片角度控制、應急放油等功能。各裝置的部件應具有調(diào)整功能，可根據(jù)不同功率燃氣輪機需要通過適應性調(diào)整或更換部件滿足要求。航改燃氣輪機通用控制系統(tǒng)樣機液壓機械裝置結構如圖4所示。

圖4　液壓機械裝置結構

2.3航改燃氣輪機通用控制系統(tǒng)的特點

（1）航改燃氣輪機通用控制系統(tǒng)采用開放性的模塊結構。硬件采用標準化、系列化的模塊，軟件設計成可選擇的標準控制模塊和接口，液壓執(zhí)行機構設計成通用的模塊化的部件和組件；

（2）控制柜采用3余度設計，基于對3冗余硬件平臺的故障重構和表決技術的使用，極大地提高了控制柜的任務可靠性；

（3）采取了多重電磁兼容性設計措施，提高了產(chǎn)品抗干擾能力，適用于燃氣輪機復雜運行環(huán)境；

（4）采用模塊差異的歸一化技術，通過設計模塊標定信息存儲器消除每種類型模塊間由于硬件特性帶來的差異；

（5）開發(fā)了基于實時以太網(wǎng)的分布式智能模塊Bootloader軟件，使得智能模塊的軟件可遠程升級，且升級效率大幅提高［13］；

（6）國內(nèi)首個采用實時網(wǎng)絡通訊的艦用航改燃氣輪機數(shù)控系統(tǒng)，改變了系統(tǒng)結構構成，提高系統(tǒng)的通訊能力?？刂破鞯母鞣N功能模塊之間用實時以太網(wǎng)進行連接，完成數(shù)據(jù)交互。各模塊既可以集中到一起，也可以分散到燃氣輪機的各部分，為分布式設計打下基礎［14-15］。

3　通用控制系統(tǒng)在QC185燃氣輪機上的應用

艦用航改燃氣輪機通用控制系統(tǒng)研制的樣機在QC185燃氣輪機上進行了配機試驗，滿足QC185燃氣輪機的控制要求。臺架試驗曲線如圖5所示，性能指標比較見表1。

圖5　臺架試車曲線

表1　主要技術指標和實際值的比較

4　結束語

本文介紹了具有自主知識產(chǎn)權的航改燃氣輪機通用控制系統(tǒng)的方案和設計思想，簡要描述了電子控制器、控制軟件和液壓機械裝置3個主要部件的設計，并介紹了艦用航改燃氣輪機通用控制系統(tǒng)研制樣機在QC185燃氣輪機上的應用。

艦用航改燃氣輪機通用控制系統(tǒng)將為國產(chǎn)燃氣輪機數(shù)控系統(tǒng)的選配提供1種擁有自主知識產(chǎn)權的低成本的、可靠的、易用的解決方案，從而打破國外產(chǎn)品在燃氣輪機控制領域的壟斷局面。

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（編輯：栗樞）

Development and Application of General Control System for Aeroderivative Gas Turbine Used in Ship

XUE Wei，ZHANG Li-hui
（AVIC Aviation Motor Control System Institute，Wuxi Jiangsu 214063，China）

In order to provide a low-cost，reliable and easy to use solution for domestic gas turbine control system.Development and application of general control system for aeroderivative gas turbine used in ship was described in this paper.The development of the whole scheme and the design principle，structure diagram，design features，technical specifications of each part were introduced.Modular and general design ideas were adopted，the real-time Ethernet communication technology and triplex structure design were applied，which improve the efficiency of design，shorten the design cycle，reduce the cost，and improve the reliability of the system.It has a wide range of application in gas turbine control filed.

control system；modularization，；generalization；EtherCAT，；real-time network；aeroderivative gas turbine

V 233.7

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.04.002

2016-03-01基金項目：燃氣輪機工程研究項目資助

薛瑋（1979），男，高級工程師，主要從事航空發(fā)動機及燃氣輪機控制系統(tǒng)的研究工作；E-mail：wx614d@vip.163.com。

引用格式：薛瑋，張力輝.艦用航改燃氣輪機通用控制系統(tǒng)研制及應用［J］.航空發(fā)動機，2016，42（4）：8-11.XUEWei，ZHANGLihui.Developmentandapplicationofgeneralcontrolsystemforaeroderivativegasturbineusedinship［J］.Aeroengine，2016，42（4）：8-11.